Varför magneter inte har några effekter på vissa metaller

Magnetism och elektricitet är så nära anslutna att du till och med kan betrakta dem som två sidor av samma mynt. De magnetiska egenskaperna som vissa metaller uppvisar är ett resultat av elektrostatiska fältförhållanden i atomerna som bildar metallen.

Faktum är att alla element har magnetiska egenskaper, men de flesta manifesterar dem inte på ett uppenbart sätt. Metallerna som lockas av magneter har en sak gemensamt, och det är oparade elektroner i sina yttre skal. Det är bara ett elektrostatiskt recept för magnetism, och det är det viktigaste.

Metaller som du kan permanent magnetisera kallasferromagnetiskmetaller, och listan över dessa metaller är liten. Namnet kommer frånFerrum, det latinska ordet för järn.​

Det finns en mycket längre lista över material som finnsparamagnetisk, vilket innebär att de blir tillfälligt magnetiserade i närvaro av ett magnetfält. Paramagnetiska material är inte alla metaller. Vissa kovalenta föreningar, såsom syre (O₂) uppvisar paramagnetism, liksom vissa joniska fasta ämnen.

Alla material som inte är ferromagnetiska eller paramagnetiska ärdiamagnetisk, vilket innebär att de uppvisar en liten avstötning mot magnetfält, och en vanlig magnet lockar dem inte. Egentligen är alla element och föreningar diamagnetiska till viss del.

För att förstå skillnaderna mellan dessa tre klasser av magnetism måste du titta på vad som händer på atomnivå.

I den för närvarande accepterade modellen av atomen består kärnan av positivt laddade protoner och elektriskt neutrala neutroner som hålls samman av den starka kraften, en av de grundläggande krafterna för natur. Ett moln av negativt laddade elektroner som upptar diskreta energinivåer eller skal omger kärnan, och det är detta som ger magnetiska egenskaper.

En kretsande elektron genererar ett förändrat elektriskt fält, och enligt Maxwells ekvationer är det receptet på ett magnetfält.Fältets storlek är lika med området inuti banan multiplicerat med strömmen.En enskild elektron genererar en liten ström och det resulterande magnetfältet, som mäts i enheter som kallasBohr magnetoner, är också liten. I en typisk atom stänger fälten som genereras av alla dess elektroner i allmänhet varandra.

Det är inte bara en elektrons kretsrörelse som skapar laddning utan också en annan egenskap som kallassnurra. Som det visar sig är snurr mycket viktigare för att bestämma magnetiska egenskaper än omloppsrörelse, eftersom total snurrning i en atom är mer sannolikt att vara asymmetrisk och kunna skapa en magnetisk ögonblick.

Du kan tänka på snurr som en elektronns rotationsriktning, även om detta bara är en grov approximation. Snurr är en inneboende egenskap hos elektroner, inte ett tillstånd av rörelse. En elektron som snurrar medurs harpositiv snurr, eller snurra upp, medan en som roterar moturs harnegativ snurrningeller snurra ner.

Elektronsnurr är en kvantmekanisk egenskap utan klassisk analogi, och den bestämmer placeringen av elektroner runt kärnan. Elektroner ordnar sig i spin-up och spin-down-par i varje skal för att skapa nollnätmagnetiskt ögonblick​.

Elektronerna som är ansvariga för att skapa magnetiska egenskaper är de längst upp, ellervalens, skal av atomen. I allmänhet skapar närvaron av en oparad elektron i en atoms yttre skal ett magnetiskt nettomoment och ger magnetiska egenskaper, medan atomer med parade elektroner i det yttre skalet inte har någon nettoladdning och är diamagnetisk. Detta är en överförenkling, eftersom valenselektroner kan uppta lägre energiskal i vissa element, särskilt järn (Fe).

Strömslingorna som skapas av elektroniska banor gör varje material diamagnetiskt, för när ett magnetfält appliceras strömmar slingorna alla i motsats till det och motsätter sig fältet. Detta är en applikation avLenzs lag, som säger att ett inducerat magnetfält motsätter det fält som skapar det. Om elektronsnurr inte kom in i ekvationen skulle det vara slutet på berättelsen, men snurr kommer in i den.

Det totalamagnetiskt ögonblick J​av en atom är summan av dessomloppsvinkelmomentoch desssnurra vinkelmoment. NärJ= 0, atomen är icke-magnetisk, och närJ≠ 0, atomen är magnetisk, vilket händer när det finns minst en oparad elektron.

Följaktligen är varje atom eller förening med helt fyllda orbitaler diamagnetiska. Helium och alla ädelgaser är uppenbara exempel, men vissa metaller är också diamagnetiska. Här är några exempel:

• Zink
• Kvicksilver
• Tenn
• Tellur
• Guld
• Silver
• Koppar

Diamagnetism är inte nettoresultatet av att vissa atomer i ett ämne dras på ett sätt av ett magnetfält och andra dras i en annan riktning. Varje atom i ett diamagnetiskt material är diamagnetisk och upplever samma svaga avstötning mot ett externt magnetfält. Detta avstötning kan skapa intressanta effekter. Om du hänger upp en stapel av ett diamagnetiskt material, som guld, i ett starkt magnetfält, kommer det att rikta sig vinkelrätt mot fältet.

Om minst en elektron i en atoms yttre skal är oparad har atomen ett magnetiskt nettomoment och den kommer att rikta sig in i ett externt magnetfält. I de flesta fall förloras anpassningen när fältet tas bort. Detta är paramagnetiskt beteende, och föreningar kan uppvisa det såväl som element.

Några av de vanligaste paramagnetiska metallerna är:

• Magnesium
• Aluminium
• Volfram
• Platina

Vissa metaller är så svagt paramagnetiska att deras svar på ett magnetfält knappast märks. Atomerna ligger i linje med ett magnetfält, men inriktningen är så svag att en vanlig magnet inte lockar den.

Du kunde inte plocka upp metallen med en permanentmagnet, oavsett hur hårt du försökte. Men du skulle kunna mäta magnetfältet som genereras i metallen om du hade ett tillräckligt känsligt instrument. När det placeras i ett magnetfält med tillräcklig styrka, kommer en stång av en paramagnetisk metall att rikta sig parallellt med fältet.

När du tänker på ett ämne som har magnetiska egenskaper, tänker du i allmänhet på en metall, men några icke-metaller, såsom kalcium och syre, är också paramagnetiska. Du kan visa syrgas paramagnetiska natur för dig själv med ett enkelt experiment.

Häll flytande syre mellan polerna på en kraftfull elektromagnet, och syret samlas på polerna och förångas och producerar ett gasmoln. Prova samma experiment med flytande kväve, som inte är paramagnetiskt, och ingenting kommer att hända.

Vissa magnetiska element är så känsliga för yttre fält att de magnetiseras när de utsätts för ett och de behåller sina magnetiska egenskaper när fältet tas bort. Dessa ferromagnetiska element inkluderar:

• Järn
• Nickel
• Kobolt
• Gadolinium
• Rutenium

Dessa element är ferromagnetiska eftersom enskilda atomer har mer än en oparad elektron i sina orbitalskal. men det händer också något annat. Atomerna i dessa element bildar grupper som kallasdomäneroch när du introducerar ett magnetfält anpassar domänerna sig till fältet och förblir inriktade även efter att du har tagit bort fältet. Detta fördröjda svar är känt somhysterisis,och det kan pågå i flera år.

Några av de starkaste permanentmagneterna är kända somsällsynta jordartsmagneter. Två av de vanligaste ärneodymmagneter, som består av en kombination av neodym, järn och bor, ochsamarium koboltmagneter, som är en kombination av dessa två element. I varje typ av magnet är ett ferromagnetiskt material (järn, kobolt) förstärkt med ett paramagnetiskt sällsynt jordelement.

​Ferritmagneter, som är gjorda av järn, ochalnicomagneter, som är gjorda av en kombination av aluminium, nickel och kobolt, är i allmänhet svagare än sällsynta jordartsmagneter. Detta gör dem säkrare att använda och mer lämpliga för vetenskapliga experiment.

Varje magnetiskt material har en karakteristisk temperatur över vilken det börjar förlora sina magnetiska egenskaper. Detta kallasCurie-punkt, uppkallad efter Pierre Curie, den franska fysikern som upptäckte lagarna som relaterar magnetisk förmåga till temperatur. Ovanför Curie-punkten börjar atomerna i ett ferromagnetiskt material tappa sin inriktning och materialet blir paramagnetiskt eller, om temperaturen är tillräckligt hög, diamagnetisk.

Curie-punkten för järn är 1470 F (770 C), och för kobolt är det 2.050 F (1121 C), vilket är en av de högsta Curie-punkterna. När temperaturen sjunker under Curie-punkten återfår materialet sina ferromagnetiska egenskaper.

Magnetit, även känd som järnmalm eller järnoxid, är det gråsvarta mineralet med den kemiska formeln Fe₃O₄ det är råmaterialet för stål. Det beter sig som ett ferromagnetiskt material och blir permanent magnetiserat när det utsätts för ett externt magnetfält. Fram till mitten av 1900-talet antog alla att det var ferromagnetiskt, men det är faktisktferrimagnetisk, och det finns en betydande skillnad.

Ferritmagnetism av magnetit är inte summan av magnetiska moment av alla atomer i materialet, vilket skulle vara sant om mineralet var ferromagnetiskt. Det är en konsekvens av mineralets kristallstruktur.

Magnetit består av två separata gitterstrukturer, en oktaedrisk och en tetraeder. De två strukturerna har motsatta men ojämna polariteter, och effekten är att producera ett nettomagnetiskt moment. Andra kända ferrimagnetiska föreningar inkluderar yttriumjärngranat och pyrrhotit.

Under en viss temperatur, som kallasNéel temperaturefter fransk fysiker Louis Néel förlorar vissa metaller, legeringar och joniska fasta ämnen sina paramagnetiska egenskaper och svarar inte på yttre magnetfält. De blir i huvudsak demagnetiserade. Detta händer eftersom joner i gitterstrukturen i materialet inriktar sig i antiparallella arrangemang genom hela strukturen, vilket skapar motsatta magnetfält som tar bort varandra.

Néel temperaturer kan vara mycket låga, i storleksordningen -150 C (-240F), vilket gör föreningarna paramagnetiska för alla praktiska ändamål. Vissa föreningar har emellertid Néel-temperaturer i området rumstemperatur eller högre.

Vid mycket låga temperaturer uppvisar antiferromagnetiska material inget magnetiskt beteende. När temperaturen stiger, bryts några av atomerna loss från gitterstrukturen och anpassar sig efter magnetfältet och materialet blir svagt magnetiskt. När temperaturen når Néel-temperaturen når denna paramagnetism sin topp, men då temperaturen stiger utöver detta punkt förhindrar termisk omröring atomerna från att bibehålla sin inriktning med fältet och magnetismen sjunker stadigt av.

Inte många element är antiferromagnetiska - bara krom och mangan. Antiferromagnetiska föreningar inkluderar manganoxid (MnO), vissa former av järnoxid (Fe₂O₃) och vismutferrit (BiFeO₃).